Ogniwa paliwowe ( część II)
Współczesne ogniwa paliwowe wchodzą dopiero w systematyczną fazę rozwoju, ale już dziś pytaniem jest nie to czy, lecz kiedy zastąpią one tradycyjne sposoby produkcji energii. Można bowiem zbudować elektrownię wykorzystującą takie ogniwa dosłownie gdziekolwiek. I równie dobrze będzie ona funkcjonowała na wodór, biopaliwa, gaz ziemny, alkohol, węgiel i wiele innych paliw, gdyż łatwo dostosować ją do aktualnych potrzeb. Układy ogniw paliwowych są też powszechnie uznawane za najbardziej obiecującą propozycję alternatywnego napędu przyszłości, przede wszystkim z uwagi na ich ekologiczny charakter.
Zasada działania
Ogniwo paliwowe to
urządzenie elektrochemiczne, które służy wytwarzaniu energii użytecznej (elektryczność, ciepło) w wyniku reakcji chemicznej wodoru z tlenem. Produktem ubocznym jest woda. Zbudowane jest z dwóch elektrod: anody i katody. Elektrody odseparowane są przez elektrolit, występujący w postaci płynnej lub stałej. Elektrolit powoduje przepływ kationów, uniemożliwia natomiast przepływ elektronów. Reakcja chemiczna w ogniwie polega na rozbiciu wodoru na proton i elektron na anodzie, a następnie na połączeniu substratów reakcji na katodzie. Procesom elektronicznym towarzyszy przepływ elektronów od anody do katody z pominięciem nieprzepuszczalnej membrany. W wyniku elektrochemicznej reakcji wodoru i tlenu powstaje prąd elektryczny, ciepło i woda. Paliwo – wodór w stanie czystym lub w mieszaninie z innymi gazami – jest doprowadzane do anody, a utleniacz – tlen w stanie czystym lub w mieszaninie (powietrze) – podawany jest w sposób ciągły do anody. Ogniwo paliwowe teoretycznie nie ulega rozładowaniu. W rzeczywistości jednak degradacja lub niesprawność komponentów ograniczają jego żywotność. Zasada działania ogniw jest dziś doskonale znana, znaczący postęp dokonuje się natomiast w opracowywaniu materiałów na budowę elektrod, membran, uszczelnień oraz katalizatorów. Celem badań jest wydłużenie żywotności i sprawności, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów produkcji. Opracowywane są wciąż nowe technologie wytwarzania elementów poprzez zastępowanie obróbki mechanicznej precyzyjnymi i tańszymi technologiami natryskowymi.
Rodzaje ogniw paliwowych
Podział ogniw paliwowych bazuje na zastosowanym elektrolicie. Elektrolit determinuje temperaturę reakcji zachodzącej w ogniwie oraz rodzaj paliwa zasilającego. Każde z ogniw posiada zalety i wady, które wyznaczają obszar ewentualnych zastosowań.
PEM (Proton Exchange Membrane lub Polimer Electrolyte Membrane)
Ogniwa te zasilane są czystym wodorem lub reformatem. Membraną jest materiał polimerowy, np. nafion. Charakterystyczną cechą ogniw PEM jest duża sprawność produkcji energii elektrycznej (do 65%) oraz duża ilość wydzielanego ciepła. Cechą wyróżniającą jednak jest wyjątkowo dobra nadążność ogniw w systemach poddawanych zmiennym obciążeniom oraz krótki czas rozruchu. Dziś ogniwa PEM stosowane są głównie do napędzania pojazdów oraz do budowy stacjonarnych i przenośnych generatorów energii.
DMFC (Direct Metanol Fuel Cell)
Ogniwo posiada polimerową membranę, taką jak PEM. Różnica tkwi w konstrukcji anody, która w ogniwie DMFC pozwala na dokonanie wewnętrznego reformingu metanolu i uzyskanie wodoru do zasilania ogniwa. A ponieważ metanol jest paliwem bezpiecznym i praktycznym, ogniwa DMFC eliminują problemy ze składowaniem paliwa, są też atrakcyjne do aplikacji przenośnych ze względu na niską temperaturę zachodzącej reakcji (ok. 80ºC). W porównaniu z PEM, ogniwo ma jednak niższą sprawność (ok. 40%). Ogniwa DMFC używane są najczęściej do budowy baterii urządzeń przenośnych, oferując sprawność nieosiągalną dla tradycyjnych baterii.
AFC (Alkaline Fuel Cell)
Są to pierwsze, zasłużone ogniwa paliwowe, użyte najpierw w kosmonautyce. Elektrolitem jest tu roztwór KOH. Reakcja przebiega w temperaturach od 100 do 250ºC. Wyższe temperatury podnoszą sprawność. Ogniwa AFC są jednak zbyt wrażliwe na wszelkie zanieczyszczenia, wymagają dużej czystości paliwa, co stanowi istotną przeszkodę w ich komercjalizacji.
PAFC (Phosphoric Acid)
Elektrolitem jest tu kwas fosforowy. Zaletą ogniw jest wysoka tolerancja na tlenki węgla, co pozwala na stosowanie wielu paliw.
Ogniwa PAFC wykorzystywane są w systemach kogeneracji energii elektrycznej i ciepła.
MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)
Erektrolitem jest stopiony węglan Li/K. Wysoka temperatura reakcji zachodzącej w ogniwie pozwala na stosowanie szerokiego wachlarza paliw: gaz ziemny, benzyna, wodór, propan. Ogniwa MCFC używane są zwykle w elektrowniach małej i średniej mocy.
SOFC (Solid Oxide)
Ogniwo posiada membranę wykonaną z ceramiki tlenkowej. Pracuje w temperaturze od 650 do 1000ºC. Rezultatem wysokiej temperatury jest wysoka sprawność w systemach kogeneracji energii elektrycznej i ciepła (nawet 85%). Cecha ta wraz z wydłużonym czasem rozruchu powoduje, że stosuje się je najczęściej w systemach stacjonarnych CHP (cogeneration heat and power). Ogniwa SOFC charakteryzują się ponadto wysoką tolerancją na zanieczyszczenia paliwa (np. tlenki węgla i siarki), co poszerza wachlarz stosowanych paliw i zwiększa możliwość zastosowań.
Najczęściej stosowane są dziś w przemyśle ogniwa PEM/DMFC i SOFC. Popularność tych ogniw spowodowana jest ich wysoką sprawnością oraz membraną zbudowaną z materiałów stałych (brak części ruchomych jest dużą zaletą w zastosowaniach przemysłowych). Ogniwa PEM/DMFC i SOFC są już obecne na rynku konsumenckim, można je zakupić jako samodzielne urządzenia (fuel cell stack) albo też w całych systemach innych urządzeń bardziej złożonych.
